武漢科技大學(xué)周盈科教授團(tuán)隊在《Diamond and Related Materials》期刊發(fā)表名為“Freeze-casting preparation of three-dimensional directional porous LiFePO4-graphene composite aerogel for lithium-ion battery”的論文，研究采用定向冷凍法成功合成了一種定向多孔三維LiFePO4石墨烯復(fù)合氣凝膠，并將其作為鋰離子電池的正極材料。定向冷凍裝置中開發(fā)的冰晶模板形成了三維有序的多孔結(jié)構(gòu)，可以為電子和鋰離子提供豐富的擴(kuò)散和傳輸通道，增強(qiáng)了鋰離子的插入動力學(xué)。

引入的石墨烯片均勻地嵌入到LiFePO4顆粒形成的三維多孔骨架中，與LiFePO4顆粒緊密接觸，從而加速了復(fù)合材料的電子轉(zhuǎn)移。隨著石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的比表面積增大，可以為鋰離子的插層提供更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)電解質(zhì)/電極的接觸面積，從而提高復(fù)合材料的儲能能力。優(yōu)化的定向多孔LFP-G復(fù)合材料表現(xiàn)出高的比放電容量（0.1C時為168.2 mAh g-1），卓越的速率能力（1和20C時為154.8和72.4 mAh g-1）和出色的循環(huán)穩(wěn)定性（1C時800次循環(huán)的98.1%保持率）。定向冷凍策略為實現(xiàn)高性能鋰離子電池的優(yōu)良電極材料提供了一種新的方法。

圖1、定向多孔三維LiFePO4石墨烯復(fù)合氣凝膠制備流程

圖2.具有各種石墨烯含量的LFP-G復(fù)合材料的XRD圖譜。

圖3、顯示了制備的LFP-G1%，LFP-G5%和LFP-G10%復(fù)合材料的SEM圖像

圖4、LFP-G復(fù)合材料的電化學(xué)性能

圖5、多孔LFP-G復(fù)合材料的反應(yīng)動力學(xué)，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗（EIS）和循環(huán)伏安（CV）測量。

圖6. LFP-G復(fù)合材料的電子傳輸和Li擴(kuò)散的機(jī)制

小結(jié):采用定向冷凍法成功合成了三維定向多孔LiFePO4石墨烯復(fù)合氣凝膠，并全面研究了石墨烯含量對其微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。FP-G10%的復(fù)合氣凝膠表現(xiàn)出最高的比放電容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和速率性能。隨著石墨烯含量的增加，有序孔的尺寸變小，孔壁變厚。小孔和厚壁可以更好地保持復(fù)合材料在充電/放電過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。石墨烯含量的增加也增加了LFP-G復(fù)合氣凝膠的比表面積和電極/電解質(zhì)的接觸面積，為鋰離子提供了更多的活性位點(diǎn)和遷移路徑，這有助于提高LFP-G復(fù)合氣凝膠的速率能力和比容量。定向多孔的磷酸鐵鋰-石墨烯復(fù)合氣凝膠是一種潛在的動力型鋰離子電池的正極材料。